摘　要：分析了大口径玻璃钢管内嵌结构的常用设计方法，在此基础上进行了玻璃钢管内嵌结构的改进设计，并借助Inventor软件进行了三维实体建模比较和有限元应力分析，验证了改进后的内嵌结构性能得到了部分优化，并制作了结构实物模型投入实际应用。

关键词：玻璃钢管；内嵌结构；有限元；应力分析

1　引　言

　　在采用玻璃钢管作为结构件时，通常需要将其与外界预留一定的接口。采用大口径玻璃钢管作为母材时，接口的设计通常保留在管内。定义在管内侧预留接口的结构为内嵌结构。当玻璃钢管内径较大时，采用常规的设计方法，其内嵌结构一般质量较重，其与玻璃钢管内壁的胶接强度也难以保证。
　　以内径φ125mm，壁厚5mm的玻璃钢管内嵌结构设计为例，分析常规的内嵌结构设计方法，在此基础上进行一定的改进，并对其胶接玻璃钢管后的整体进行有限元受力分析，比较不同内嵌结构的各方面性能，从而优化其设计。

2　设计原理

　　假定玻璃钢管对外的接口为一定规格的螺纹孔，常规的内嵌结构设计思路主要有两种。一种是玻璃钢管内壁直接与金属连接胶接，整个内嵌结构为金属材料，螺纹孔位于结构中心，其结构示意如图1(a)。这种结构的缺点是当玻璃钢管外径较大时，内嵌结构的重量大，其与玻璃钢管内壁胶接工艺难度较大。
　　另一种则是在玻璃钢管和金属连接之间加上非金属过渡层，即中心为带有螺纹孔的金属薄壁结构，过渡层分别与中心金属结构和玻璃钢管内壁胶接，其结构示意见图1(b)。该结构的缺陷是，玻璃钢材料的自身特性与其它非金属材料胶接的工艺难度大，而且胶接处使用寿命短。而非金属过渡层也采用玻璃钢材料时，由于其厚度较大，玻璃钢材料的各向异性和膨胀特性使得过渡层容易发生不稳定或者变形。

　　基于以上设计思路，将内嵌连接设计成“真空”的套管结构，由上、下底板和内、外套管焊接而成，内套管中间配钻螺纹孔，具体结构示意见图2。在与玻璃钢管胶接的外套管外壁留有4条预留槽，用来作为与玻璃钢管内壁胶接时的接口，起增大胶接面积、提高胶接强度的作用。这样，既减轻了内嵌结构的重量，又保证了其自身强度以及其与玻璃钢管内壁的胶接强度。

3　结构分析

　　假定玻璃钢管具体参数：长为0.2m，内径4～125mm，壁厚5mm，内嵌结构对外接口均为M48的螺纹孔。结合玻璃钢管具体结构参数，分别依据上节设计思路进行三种不同的内嵌结构设计，进而进行比较分析。
3.1　建模比较
　　Inventor软件是美国Autodesk公司推出的三维参数化实体模拟软件，除实体零件、装配模拟、设计评估等功能之外，还具有强大的应力分析和运动仿真模块，可靠性好、兼容性强，使用方便、快捷 。
　　设计的内嵌结构高度均为100mm，外形规格基本保持一致。先确定模型参数，然后借助Inventor软件中进行建模，由于模型均为对称结构，故其实体模型均采用半剖视图表示，具体见图3。

　　全金属材料的内嵌结构：外径为φ125mm，中心为M48的螺纹通孔。其三维实体模型见图3(a)。
　　含过渡层的内嵌结构：中间为金属材料结构，外径4~60mm，中心为M48的螺纹通孔，外层为非金属材料的过渡层，外径φ25mm，内径φ60mm，其三维实体模型如图3(b)所示。
　　改进设计后的内嵌结构：上顶板外径φ135mm，厚5mm，下底板外φ125mm，厚3mm，外套管壁厚5mm，预留槽深2mm，宽5mm，内套管外径φ60mm，加工时采用角焊缝满焊。其三维实体模型如图3(c)所示。
　　为简化模型结构分析，金属材料均选择为奥氏体不锈钢，密度为8.03g／cm³；非金属材料选择为环氧树脂基玻璃钢材料，密度为1.80g／cm³。通过参数计算，得到它们的质量见表1。
　　由表1可知，改进设计后的内嵌结构重量较含过渡层的内嵌结构略重，但较全金属材料的内嵌结构轻很多，同时有效地节约了材料。

3.2　应力分析
　　以螺纹孔作为外接接口，简单建立外部金属连接作为载荷加载位置。借助Inventor中的应力分析模块，对三种不同的内嵌结构进行应力分析。分析时将玻璃钢管和金属外接都引入模型，建立一个有机整体，可以更好的考察内嵌结构在整体结构中的使用效果。整体结构单元类型选择3-D实体Solid92单元模型，分析类型为静态模型受力，网格平均元素大小为0.1，对其进行网格划分见图4。

　　定义材料特性。选择的奥氏体不锈钢材料，材料为各向同性，其特性为：弹性模量E=190.3GPa，泊松比μ=0.30；选择的环氧树脂基玻璃钢材料，材料为各向异性，但本分析主要关注其剪切方向上应力及变形，故选择其特性为：弹性模量E=45GPa，泊松比μ=0.26。
　　定义对含内嵌结构的玻璃钢管端部施加固定约束，向简化外接的侧平面加载侧向正压力载荷，大小为5MPa。选择接触类型为自动接触，分别对三种结构进行应力分析。为方便观察内嵌结构应力分布，故隐藏金属外接部分，得到不同内嵌结构的应力云图如图5所示。

　　全金属内嵌结构的应力分布云图见图5(a)。应力大出现在金属内嵌结构与玻璃钢管内壁的胶接位置，为21.89MPa。大变形出现在螺纹孔与外接连接处，为0.00348mm。
　　含过渡层的内嵌结构应力分布云图见图5(b)。应力大出现在非金属过渡层和带螺纹孔的金属结构胶接位置，为28.48MPa。大变形亦出现在该位置，为0.00663mm。
　　优化设计后的内嵌结构应力分布云图见图5(c)。应力大出现在内嵌结构上顶板位于内、外套管之间的区域，为29.57MPa。大变形出现在中心的螺纹孔处，为0.00349mm。
　　由图5可知，常规思路设计的内嵌结构应力集中均处于不同材料结构件的胶接处，这样加大了本来就较困难的工艺环节难度。作出改进后的内嵌结构，其大应力较常规设计的内嵌结构略大，但其应力集中的区域较小，基本处于金属结构体上，因此其应力引起的变形也较小。同时，其与玻璃钢管内壁的槽型接口减小了胶接工艺难度。

4　结　语

　　由上节的对比分析可知，改进后的“真空”套管式内嵌结构是对常规内嵌结构设计的一种优化，在节约材料、保持适当重量的同时，其应力分布情况也得到了改善。在大应力略有增加的情况下，将应力集中到了强度较大的金属结构件上，使应力造成的变形较小；同时，较常规内嵌结构应力集中于胶接处相比，加之其外壁胶接槽型接口的预留，使其胶接的工艺难度大大减小。
　　按照上述的设计参数，制作了内嵌结构实物结构，其外形见图6。实物结构经过拉力试验，施加侧向正拉力1500N，其外观无明显变形。通过检测，其质量为2.9kg，与建模分析的结果基本一致。随后将此结构件投入了实际工程应用，使用效果良好。